Estrutura atómica e isótopos: dos símbolos de núclidos ao peso atómico

Protóns, neutróns e electróns en unidades medidas

O protón leva unha carga de +1 en unidades da carga elemental, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, e o electrón leva −1. O neutrón non ten carga. As masas danse normalmente en unidades de masa atómica unificadas (u, tamén chamadas daltons, Da), onde 1 u é a duodécima parte da masa dun átomo de carbono-12, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

Segundo os valores CODATA de 2022 publicados polo NIST, o protón ten 1.007276 u, o neutrón 1.008665 u e o electrón 0.000549 u. O protón é unhas 1836 veces máis pesado ca o electrón, así que case toda a masa dun átomo está no núcleo. O núcleo tamén é minúsculo: o seu raio é da orde de 10⁻¹⁵ m, mentres que o raio do átomo é da orde de 10⁻¹⁰ m. Polo tanto, os electróns determinan o tamaño dun átomo e a súa química, e o núcleo determina a súa masa.

Ler símbolos de núclidos e contar partículas en ións

O número atómico Z é o número de protóns. Define o elemento: todo átomo con 17 protóns é cloro. O número másico A é o número total de protóns e neutróns, así que o número de neutróns é A − Z. Un símbolo de núclido escribe A como superíndice á esquerda e Z como subíndice á esquerda do símbolo do elemento, como en ³⁵₁₇Cl. Como o símbolo xa fixa Z, o subíndice adoita omitirse, o que dá ³⁵Cl ou cloro-35.

Os electróns igualan os protóns só nun átomo neutro. Un ión con carga q ten Z − q electróns, así que unha carga positiva significa menos electróns e unha carga negativa significa máis. A carga nunca cambia o núcleo.

Exemplo resolto 1. Para ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26, así que 26 protóns; 56 − 26 = 30 neutróns; 26 − 3 = 23 electróns. Para ¹²⁷I⁻: 53 protóns, 127 − 53 = 74 neutróns e 53 + 1 = 54 electróns. Para ³⁴S²⁻: 16 protóns, 18 neutróns e 18 electróns. Observa que ³⁴S²⁻ ten o mesmo número de electróns ca un átomo de argon; o que fai isoelectrónicos os ións é que coincida o número de electróns, non o número másico.

Por que os isótopos reaccionan igual pero difiren en masa

Os isótopos son átomos co mesmo Z pero con distinto número de neutróns. O cloro-35 e o cloro-37 teñen ambos 17 protóns e, como átomos neutros, 17 electróns. O comportamento químico está controlado polos electróns, así que os dous isótopos forman os mesmos compostos nas mesmas proporcións.

As propiedades que dependen da masa si difiren lixeiramente. As moléculas máis lixeiras móvense máis rápido a unha temperatura dada, e os enlaces con isótopos máis pesados reaccionan un pouco máis amodo. Estes efectos son pequenos nos elementos pesados. O enriquecemento do uranio mostra canto. Pola lei de Graham, as velocidades de efusión do ²³⁵UF₆ e do ²³⁸UF₆ están na razón √(M₂/M₁). Coas masas isotópicas do NIST, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol e M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, así que a razón é √(352.041/349.034) = 1.0043. Un paso a través dunha barreira enriquece o isótopo máis lixeiro en menos da metade dun por cento, e por iso as plantas de enriquecemento necesitan moitas etapas en serie.

Medias ponderadas: das masas isotópicas ao peso atómico

O peso atómico dunha táboa periódica non é a masa de ningún átomo concreto. É a masa media dos átomos do elemento nunha mostra normal, ponderada pola frecuencia de cada isótopo. Multiplica a masa de cada isótopo pola súa abundancia fraccionaria e suma os produtos. As fraccións deben sumar 1.

Exemplo resolto 2. O magnesio ten tres isótopos estables. Segundo as táboas Atomic Weights and Isotopic Compositions do NIST: ²⁴Mg, 23.985042 u, abundancia 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Os produtos son 18.94578, 2.49858 e 2.86068 u, e a súa suma é 24.30505 u. As regras estritas de cifras significativas aplicadas ás abundancias de catro díxitos redondearían isto a 24.31 u. Con tres posicións decimais, é 24.305 u, o valor convencional impreso na maioría das táboas periódicas.

Fai o mesmo cálculo para o cloro, usando ³⁵Cl a 34.968853 u con abundancia 0.7576 e ³⁷Cl a 36.965903 u con 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Unha estimación rápida detecta erros: a media debe estar entre as masas dos isótopos e máis preto da do máis abundante.

Traballar cara atrás para atopar unha abundancia isotópica

Se un elemento ten dous isótopos e coñeces o peso atómico, podes despexar as abundancias. Chama x á fracción do primeiro isótopo; a do segundo é entón 1 − x. Escribe a media ponderada como unha ecuación e despexa x.

Exemplo resolto 3. O cobre ten un peso atómico estándar de 63.546 e dous isótopos estables, ⁶³Cu a 62.929598 u e ⁶⁵Cu a 64.927790 u (NIST). Entón 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Reordenando, x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Así, o cobre é un 69.15% ⁶³Cu e un 30.85% ⁶⁵Cu, o que reproduce as abundancias do NIST de 0.6915 e 0.3085.

Este método só funciona con dous isótopos. Con tres, unha media dá unha ecuación con dúas incógnitas, e necesitas outra medida, como un espectro de masas.

Patróns isotópicos nun espectro de masas

Un espectrómetro de masas ioniza unha mostra, separa os ións pola súa relación masa/carga e rexistra cantos chegan a cada valor. Para un só elemento, as alturas dos picos dan directamente as abundancias isotópicas. Nas moléculas, os isótopos combínanse e producen patróns recoñecibles.

Exemplo resolto 4. Predí o patrón do ión molecular do Cl₂. Sexa p = 0.7576 para ³⁵Cl e q = 0.2424 para ³⁷Cl. Unha molécula é ³⁵Cl–³⁵Cl (masa 70) con probabilidade p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (masa 72) con probabilidade 2pq = 0.3673 e ³⁷Cl–³⁷Cl (masa 74) con probabilidade q² = 0.0588. O factor 2 conta as dúas maneiras de obter un de cada. Escalado para que o pico máis alto sexa 100, o patrón é 100 : 64.0 : 10.2.

De aquí saen dous atallos. Un composto cun átomo de cloro mostra picos separados dúas unidades de masa nunha proporción de aproximadamente 3 : 1, porque p/q = 3.13. Un composto cun átomo de bromo mostra dous picos de altura case igual, porque o NIST dá ⁷⁹Br en 0.5069 e ⁸¹Br en 0.4931.

Erros de estrutura atómica que custan puntos

A maioría dos erros veñen de confundir as tres contas ou de tratar o peso atómico como unha propiedade dun só átomo. Escribe Z, A e a carga antes de contar nada.

• Cambiar o número de protóns para formar un ión. A carga só cambia os electróns; os protóns fixan o elemento.
• Engadir electróns para un ión positivo. Un ión 3+ ten tres electróns menos ca o átomo.
• Ler o peso atómico como un número másico. Ningún átomo de cloro ten unha masa de 35.45 u; é unha media de átomos de aproximadamente 35 u e 37 u.
• Usar porcentaxes como fraccións sen dividir entre 100, o que dá unha media 100 veces grande de máis.
• Esquecer o factor 2 para os pares de isótopos mixtos, como ³⁵Cl–³⁷Cl, ao predicir un espectro de masas.
• Chamar isótopos a dous núclidos porque teñen o mesmo número másico. ¹⁴C e ¹⁴N comparten A pero son elementos distintos.

Defecto de masa e pesos atómicos en intervalo

Sumar seis protóns, seis neutróns e seis electróns coas masas CODATA dá 12.0989 u, mentres que un átomo de carbono-12 ten exactamente 12 u. Os 0.0989 u que faltan, aproximadamente o 0.82% do total, corresponden á enerxía liberada cando se formou o núcleo. Este defecto de masa é o motivo de que as masas isotópicas non sexan números enteiros, e é o punto de partida da enerxía de enlace nuclear.

Nalgúns elementos, a mestura de isótopos varía tanto entre fontes naturais que a Comisión de Abundancias Isotópicas e Pesos Atómicos da IUPAC dá un intervalo en vez dun único número. O cloro figura como [35.446, 35.457] e o magnesio como [24.304, 24.307]. Para os cálculos habituais, usa os valores únicos convencionais, 35.45 e 24.305, salvo que o teu curso indique outra cousa.